3Dプリンタまとめ

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前置き //不要部分

ご無沙汰しています。

facebookを始めてから、ブログの記事を更新する頻度はほとんど無くなってしまっていたのですが、やはりタイムライン方式ですと頻繁に確認したい”メモ”や”まとめ”のような記事を残せない為、定期的にまとめたものはこちらに記載したいなと思います

個人的に使用するために作成している為、見づらくなっているとは思いますがご容赦ください。

僕がFabLabShibuyaに籍を置かせて頂いている現在、メディアの報道でもよく目に、耳にするようになった3Dプリンタ。実際のところ、一般にはまだまだその特徴や利便性、実態そのものが正しく認知されていないようです。

この記事では人様の3Dプリンタ紹介記事を参考に「3Dプリンタって何よ?」をざっくりまとめていきたいと思ってます。


*この記事は作成途中です。図版を取り入れ見やすくしていく予定です。追記してほしい話題、加筆修正等ありましたらご連絡いただけると幸いです。


更新・追記事項メモ(10.07):
・何ができるか具体例を紹介
・各3Dプリンタの特性を明確に紹介、メリット・デメリットを記載。
・図版を取り入れ視覚的にわかりやすく
・身近なものを例に挙げ、親しみと理解力を促す
・設計やフィニッシングについて取り上げる
*ご連絡頂いた皆様ありがとうございます!!これから少しずつにはなると思いますが、編集してゆきます!引き続きよろしくおねがいします!

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本題

1. 3Dプリンタって何よ?
whatIs3dPrinter

これに尽きるんですが、、、みんな大好きWikipediaによると―

3Dプリンター(英語: 3D printer)とは、通常の紙に平面的に印刷するプリンターに対して、3DCAD、3DCGデータを元に立体(3次元のオブジェクト)を造形するデバイスを指す。通常は積層造形法によるものを指し、切削造形法によるものは3Dプロッター(英: 3D plotter)と呼ぶ。3次元のオブジェクトを造形することを、3Dプリンティング(三次元造形、英: 3D printing)と呼ぶ。



ということです。この説明でわかる人はもうこの記事読まなくて大丈夫です。帰れ!




簡単に言うと「あら不思議!パソコンで作った3Dモデルを現実世界に出現させる機械!」ですね 。
digitalReal




なんかドラえもんの世界ですね。そんなこと本当に可能なんでしょうか?


ひとことに3Dを現実にと言われても、いくつか疑問が出てきます。


  • Q1.「ふむふむ。つまりどういうことだってばよ?」
  • Q2.「知ってる!プラスチックとかをパソコンで操作して切るやつでしょ?渋谷のカフェで見た―」
  • Q3.「ちげーよ、アルミとか削って立体的に造形する機械だよ。macbookとかも3Dプリンタで出来てるんだよね?俺TVで見たもん」
  • Q4.「あれ?じゃあこれからの商業製品は全部3Dプリンタで作ればええやん?」
  • Q5.「3Dモデルとか素人が作れないんだから俺らには関係なくね?」
  • Q6.「でも、お高いんでしょう?」





一つづつ解決していきましょう。


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Q1.「ふむふむ。つまりどういうことだってばよ?」

3Dprinter01


そもそもどう動いてるの?なんで立体になるの?謎ですよね。どういうことか、身近なことを例にあげて説明しましょう。


▼まず作り方 -積層造形-

僕はアボカドが好きです。サンドイッチに入っているものもパスタに絡めてあるものも美味しいですが、カットしたものをわさび醤油につけて食べるだけのシンプルなものが大好きです。このアボカドの刺し身を作る時みなさんどう作りますか?
アボカドは中に大きな種がひとつ入っていますので、そのまま輪切りには出来ません。まず縦に切れ目を入れ、種を中心に一周ぐるりと切れ込みを入れます。そしてパカっと2つに割り、種が付いている側は、種に包丁の根本を突き立て、ぐるっとねじって取り除きます。そして皮を剥がし、縦にカットされた面を下に向けて寝かせ、スライスしていきます。



ちょっとまってください!今あなたの頭のなかにはスライスされたアボカドがあるはずです。おそらく1cm間隔くらいでしょうか。その、あと醤油付けて食べるだけの状態のアボカド、ちょっとカットの間隔を狭めてみましょうか。
5mm、いや2.5mm…だんだん狭めてゆくと、そこには紙切れのようにペラペラになったアボカドがまな板の上をひらひら舞っています。1枚1枚少しずづ大きさや形の違うアボカドが何枚も何枚もあります。このペラペラアボカドの集合体が元のアボカドを形成しているというわけですね。



ではこのアボカドを紙で作るにはどうしたらどうしたらいいでしょうか?そう、先ほどスライスしたペラペラアボカドを紙に当て、外形を鉛筆でなぞり、ハサミで切って、順番通りに重ねてゆきます。すると、ペラペラの紙がアボカドになってゆきます。これが積層です。



sekisou
3Dプリンタではこのように、3Dモデルをパソコン上で一度細かくスライスし、1層ごとのデータを作成して、プリンタに送信します。データを受けたプリンタは、熱で溶ける樹脂の糸を押し出して一層ごとに形を作ります。押し出された樹脂は空気に触れて冷やされ固まるので、その上にまた樹脂を押し出して重ねてゆくことが出来ます。1層1層作ってゆくので想像よりもかなりの時間がかかると思ってよいでしょう。言われてみると構造はシンプルで、なぜ今までこういったものが出てこなかったか不思議ですよね。
printing





▼ちょっと細かく ―方法―(興味ない人は飛ばしてください。)

先ほど樹脂を押し出すと書きましたが、3Dプリンタには他にも様々な積層方法があります。
大きくは以下に挙げる方法です。




■熱溶解積層法
■光造形法
 ∟タンク方式
 ∟面露光方式
 ∟インクジェット方式
■粉末法
 ∟粉末焼結式積層法
 ∟粉末固着式積層法





熱溶解積層法
個人で買える家庭用3Dプリンタのほとんどはこの方式ですね。先ほどの説明の通り、熱で溶解させた樹脂を積層して造形する方法です。

hotEnd
樹脂が出る部分は、”エクストル−ダ”と呼ばれる「モーターによって樹脂を押し出す機構」と、”ホットエンド”と呼ばれる「電熱器によって樹脂が熱で溶ける機構」が組み合わさってできています。中空形状や複雑な形の造形には”サポート”と呼ばれる支えを同時に造形し、完成後取り除く作業が必要になる場合があります。




光造形法
光を当てると固まる特性を持った樹脂を使い、1層ずつ光硬化させてゆき、造形する方式です。この造形法には更に3つの方式があります。


1)タンク方式
光硬化性樹脂(液体樹脂)が入った槽の表面にレーザー光を当ててゆき、硬化するごとにモデルを1層分沈め造形してゆく。


2)面露光方式
タンク式と同じように液体樹脂のタンク層に光を当てる方式。レーザー光ではなくプロジェクターを使い、各層を面で一括硬化させるため、タンク式よりも早いスピードで造形できる。


3)インクジェット方式
各層の形状を、非常に細かいドット状の紫外線硬化樹脂にて吐出+UV硬化させ、積み上げて造形する。


業者ではタンク式を採用しているところも多いようです。




粉末法
粉末を1層ごとに固化させ、また粉を乗せ、だんだんと立体化してゆく造形方式です。粉末法も2つの方式に分けることができます。


1)粉末焼結式積層法
粉末層に(各層の形に)レーザーを照射し、粉末を固め、造形する方式。樹脂だけでなく金属粉を使う事により、銅やニッケル、チタンなどの金属も造形できる。


2)粉末固着式積層法
粉末層に(インクジェットプリンタのように)溶剤を添加して固化させる方式。添加する溶剤はカラー塗料を混ぜる事により、フルカラーで出力できるタイプもある。




造形方式は上記の他にも日々色々な方式が開発されています。
一口に”3Dプリンタ”と言っても様々な方式があるのですね。




【ちょっと脱線。”サポート”って何?】
熱溶解積層法の項で少し触れましたが「サポート」ってなんでしょう?マネージャーさんのことでしょうか?製品保証のことでしょうか?説明しましょう。
3Dプリンタの造形方式は大方理解出来たと思います。
積層法は画期的な造形方法だと思いますが、欠点があります。それは、


造形中に自立出来ない形は造形出来ない


という点です。この表現は必ずしも正しくないのですが、詳しくお伝えします。
先ほどの熱溶解積層法で「宙に浮いた球を造形する」ことは可能でしょうか?
答えは「No」です。
そりゃそうですよね、樹脂を熱で溶かして押し出しているので、地面に接していなければぐにゃぐにゃと樹脂が垂れ流されて形は出来ません。
ではこれはどうでしょう?
「ベース(地面)に接している逆三角錐を造形できるか」
答えは「だいたいNo」です。
何故か。
ベースへの接地面が小さいモデルですと、樹脂を重ねてゆくうちに、自重で傾いたり、元の層が重ねた層を支え切れなくなってしまうからです。
(”だいたい”と描いたのは、三角錐の形や大きさによってはそれでもキレイに造形できる場合もあるからです。)
ではこの場合どうすればいいのでしょう?
はい、ここでサポートの出番です。
三角錐が倒れないように支えとなる形を一緒に造形してしまうことで、崩れずにモデルを造形することが出来ます。この支えの造形部分を”サポート”といいます。
サポートは造形が終了してしまえば用済みですので、造形終了後後取り外します。
モデルとサポートは同じ材料で作られることがしばしばあります。このため、モデルとサポートの接地面はくっついてしまっているため、ニッパーなどでカットする必要があります。なるべくサポートが少なくて済むと、造形後の手間が省けます。





▼結局どれがいいのよ -メリット・デメリット-
さて、いざ、自分が3Dプリントするときはどの方式で造形するのが良いのでしょうか?どの造形法も出来上がれば全て同じなのでしょうか?個人で使用可能なプリンタの方式には制限がありますし、発注において全てを指定することができるわけではありませんが、知っておいてそんは無いと思います。
ということでこれらの方式のメリット・デメリットについて少し考えてみます。
*個人の主観と皆様からの意見を参考に記載しています。加筆修正アレばぜひご連絡をお願いします!


            (*製作中)


■熱溶解積層法
   精度   :★☆☆☆☆
   サポート :★★☆☆☆(サポート除去が必要なことが多い)
   素材   :ABS,PAなどのプラスチック樹脂がメイン。
   メリット :比較的安い。デスクトッププリンタに多く、筐体が安価に入手できる。機構が単純であることが多く、改造しやすい。
   デメリット:他の方法と比べると精度が低い。
   備考   :主に自作用。エクストル−ダの交換によりチョコレートで造形している人も。

■光造形法
 ∟タンク方式
   精度   :★★★★☆
   サポート :★★★☆☆
   素材   :主にエポキシ系紫外線硬化樹脂
   メリット :精度が高い。工場が多く、発注しやすい。
   デメリット:種類によっては太陽光などで反応し劣化しやすい。
   備考   :主に発注用。

 ∟面露光方式
   精度   :★★★★☆
   サポート :★★★☆☆
   素材   :主にエポキシ系紫外線硬化樹脂
   メリット :精度が高い。タンク方式より造形スピードが早い。
   デメリット:種類によっては太陽光などで反応し劣化しやすい。
   備考   :主に発注用。

 ∟インクジェット方式
   精度   :★★★★☆
   サポート :★★★☆☆(サポートがモデルに与える影響は少ない)
   素材   :光硬化性樹脂。ゴムライクな柔らかいものや剛性のあるものも利用可能。
   メリット :精度が高い。2種の素材を混合して出力できるものもあるカラー造形可能。
   デメリット:種類によっては太陽光などで反応し劣化しやすい。
   備考   :主に発注用。

■粉末法
 ∟粉末焼結式積層法
   精度   :★★★☆☆
   サポート :★★★★★(粉体がサポートの役割も果たす)
   素材   :樹脂,銅,ニッケル,チタン等金属,セラミックス,ワックス
   メリット :素材の幅が広い。
   デメリット:素材により、粉っぽい表面になることがある。
   備考   :主に発注用。セラミックスの焼成は別作業。

 ∟粉末固着式積層法
   精度   :★★★☆☆
   サポート :★★★★★(粉体がサポートの役割も果たす)
   素材   :石膏
   メリット :フルカラー造形が可能
   デメリット:素材により、粉っぽい表面になる。
   備考   :主に発注用。

 




▼プラスチックだけじゃない -素材-
上記方法により、素材は様々な物が取り扱い可能になりました。
現在メージャーな素材の種類はざっと、こんな感じですね。色々あるんだな―と思っていただければ十分です。

・ABS

・PP(ポリプロピレン)

・PA(ナイロン)

・シルバー(銀)

・ブラス(真鍮)

・ステンレススチール

・セラミック

・ウッドライク(木粉+ナイロン)

・ゴムライク(FLEX)

・石膏(フルカラー)


こちらもまた、日々色々な物が開発れています。





▼何がいいのか -目的-

3Dプリンタを使う事によって得られることはたくさんありますが、まずは個人のレベルでのものづくりの幅が急激に広がったということは間違いないでしょう。
今まで大口でしか発注できなかったものや、型を作らなければ成形できなかったもの、個人ではコストがかかりすぎていたことが3Dプリンタの出現により、1つから作ることが可能になりました。また、ロットの制約が無いため、1個でも10個でも製造コストは変わらず、形を様々に変えられるため、名入れやユーザーオリジナル商品等、付加価値を与えるサービス事業にも一役買っています。
商品製造だけでなく、モックアップや模型等プロトタイピング(試作品製造)として活用できるのも利点としてあげられます。

この記事では商業的側面からの説明が大きくなってしまっていますが、3Dプリンタが私達にもたらしてくれたものはそれだけではありません。

が、

この話をすると色々と前情報が必要になってくるので、ざっくり説明する今回の記事では省きます。

興味がある人はおすすめの本を紹介しておきますので読んでみるといいかもしれません。

MAKERS[クリス・アンダーソン]

Fab ―パーソナルコンピュータからパーソナルファブリケーションへ[田中浩也]

FabLife ―デジタルファブリケーションから生まれる「つくりかたの未来」[田中浩也]

 






Q2.「知ってる!プラスチックとかをパソコンで操作して切るやつでしょ?渋谷のカフェで見た―」

残念、違います。それはおそらくレーザー加工機と言われるものですね。確かにプラスチックで立体物が出来上がるのですが、こちらは、平面的は加工しか出来ません。コースターやオーナメントを作るのによく活用されてますね。
デジタルファブリケーションという分野と共に同時期に話題になっていたものなので混同しがちですが、これらは全くの別物です。


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簡単な特徴の違いを言うと、レーザー加工機は
・板材等の素材を持ち込み、カット、彫刻の加工ができる
・すごく厚みがあるモノはカット出来ない(10mm以上はマシンスペックによって加工出来ない場合がある)
・加工時間が比較的早い
・立体的な加工が出来ない

対して3Dプリンタは
・素材はマシンによって決められている。(主に樹脂)
・積層造形の為、ある程度高さのあるものも造形できる(廉価機種でも100mm*100mm*100mm程度の造形が可能)
・加工時間がかなり掛かる
・立体造形をするための機械

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Q3.「ちげーよ、アルミとか削って立体的に造形する機械だよ。macbookとかも3Dプリンタで出来てるんだよね?俺TVで見たもん」

惜しい!それは3Dプロッター。こちらは工業機械としてはかなり古くから工場等にありましたが、最近では個人向けの製品も作られ、個人で機械を購入する人も増えてきました。(かくいう僕も持っていますがね)
3Dプリンタが ”無いところに積み上げて作る” のに対して3Dプロッターは ”あるものから削りとって成形する” 機械になります


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特徴としては
・ブロックや木材等素材を持ち込み加工する。
・エンドミル(ドリルみたいなもの)切削する為、刃の直径分、素材が削られて無駄が出る。ある程度高さのあるものの加工が可能
・加工時間がかなり掛かる
・立体的な加工が可能

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色々とメリット・デメリットがあるので上手く活用したところですね。






Q4.「あれ、じゃあこれからの商業製品は全部3Dプリタで作ればええやん?」

今はまだそううまく行かないんですよ。
3Dプリンタも問題点が幾つかあります。やはり大きくは大量生産に向いていない、素材が限定されているため、強度や特性に難がある。というところでしょうか。同じものを大量に作る場合、原型は3Dプリンタで作るメリットはありますが、真空成形やキャストといった、一度に素早く大量に製造できる従来の製造方法の方がコストや時間の面でまだまだ勝っています。
裏を返せば、少量生産では型を作る必要がなく製造コストを下げる事ができますし、1つから製造できるので製品プロトタイプにも役立ちます。まあ一長一短ということですね。
他にも細かい問題点がありますが、これらが解決した時に3Dプリンタ製品が世の中の全てを担うことは不可能ではないと思います。(それがいいかは別として)






Q5.「3Dモデルとか素人が作れないんだから俺らには関係なくね?」

2つの方法があります。一つは「これからモデリングの技術を学ぶ」もう一つは「人が作ったものを貰う」です
モデリングが難しいと思っている方は多いと思います。僕も昔は毛嫌いしていました。まず値段。3Dモデリングといえばピクサーに代表されるプロフェッショナルな3D映像制作や、CADと呼ばれる機械設計等、専門分野での使用が主で、その値段もソフト1つが30万円ということも珍しくありませんでした。しかし今はその敷居はかなり低くなってきています。特に近年では3Dプリンタの普及に伴い、無料のソフトウェアが次々と公開されていることもその敷居を下げている要因でもあります。
また、操作に関しても、1つの物体を多方面から撮影し、その写真をアップロードするだけで3Dモデル化してくれるお手軽ソフトや、いくつかのオブジェクトを組み合わせるだけで簡単にモデルを作れてしまうソフトなどもあります。しかも無料です。少し興味が出てきたのでは無いでしょうか?




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■無料3Dソフトに興味がある方!のダウンロードができるサイトを記載しておきますね。

AUTODESK 123D:3Dモデリング界超大手企業がfreeソフトを開発。上記に紹介したような色々なソフトがダウンロードできます。

blender:3DCGのアニメーションに特化した3Dソフト。コマンド方式のため、とっつきにくいかもしれないが、機能はかなり充実(リンクは日本語サイト)

Sculptris:3Dスカルプトソフト。マウスやペンタブを使って彫刻のように感覚的にモデリング出来ます。

TopMod:幾何形状を作るモデラ。初めての人には使いにくいかも知れませんが、非常に面白い、美しい造形が出来ます。

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人が作ったものを貰うってそんな友達いないよ!って方がいるかもしれませんが、大丈夫、ウェブサイトで配布している人が世の中にはいるのです。これが最近良く聞く「オープンソース」「シェア」という考え方です。製作者はいくつかの条件を守ることで3Dモデルを公開し無料でダウンロードできるようにしています。(完全にフリーで公開している方もいます)
それらをダウンロードしてプリントアウトするだけでも3Dプリンタを活用出来ます。
また、上記2つを組み合わせることによって、貰ったデータにオリジナリティを付加して造形することも出来ます。
これは「ものではなくデータのやりとり」に与えられたメリットですね。



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■参考までにデータのダウンロードができるサイトを記載しておきますね。

興味がある方はチェックしてみてください。

instructables:海外のサービス。3D以外にも作り方を公開している。クックパッドのレシピのよう

tecshar:日本のサービス。日本語でわかりやすい。

Thingiverse:海外のサービス。大手で種類も豊富。

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Q6.「でも、お高いんでしょう?」

まぁ安くは無いですね。世に出回っている3Dプリンタは平均で40万円くらい。安いものは5万円程度から、ハイエンドですと200万円、1億円といったものまであります。当然高いほど機能や使いやすさはいいです。
個人で購入できるレベルですと、そのまま商品にしたり、実用強度は得られないというのが現状です。(2013.10.06)





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■購入を検討されている方に現行の3Dプリンタの紹介をしておきますね。他にも色々ありますので探してみてください。

UP! Plus[PP3DP]:$1499.00 日本の代理店を通すと49万円程度まで跳ね上がります。。*正規代理店では価格が適正になっていました。こちら

LUNAVAST-PRUSA3:¥89,800- 日本で買える安価な3Dプリンタ。自分で組み立てる為、安価にできているようです。全く知識のない人は組み立てに少し時間がかかるかもしれません。

Replicator 2X[MakerBot]:$3299.00 言わずと知れたデスクトップ3Dプリンタ会社(Stratasys社に買収され子会社に)。Replicator 2Xは2色のモデル剤を使うことができます。

Form1:$3299.00 デスクトップ3Dプリンタでは珍しい感光性樹脂を使った光造形プリンター。微細なモデルの造形が期待できる。

*価格は2013.10.06現在のものです。

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まだまだ、主にプロトタイプ製作や、強度の必要ない部品製造に使用したり、3Dプリンタ自体の実験という目的で購入される方が多いようです。
今では「写真屋さん」のような3Dプリント業者も多くありますので、データを作成し、発注するという方法でモデルを得ることは可能です。




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■ここでも参考までに業者を記載しておきますね。国内海外色々です。取り扱う素材も様々ですので必要に応じて活用してくださいね。

shapeways:海外のサービス。値段も比較的安い。輸送費と相談して上手く活用したい。

DMM.com:日本のサービス。フルカラー印刷やシルバー等マテリアルもひと通り揃っている。

グラフィック印刷:日本のサービス。Aiデータにて2.5D印刷ができるのが魅力的。

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また、(宣伝になりますが)FabLabShibuyaでは家庭用の3Dプリンタ「UP!」を機材として常設しているため、個人での購入を希望している方で、試しに使ってみたい、発注するほどじゃないけど、1つ作ってみたい物がある、単純に触ってみたいという方は公式HPよりご相談くださいね。